太陽能電池又稱為「太陽能晶片」或「光電池」,是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到,瞬間就可輸出電壓及在有迴路的情況下產生電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic,縮寫為PV),簡稱光伏。
薄膜電池由於理論效率高、材料消耗少、製備能耗低等被稱為第二代太陽能電池技術。尤其是在柔性襯底上製備的薄膜電池,具有可捲曲摺疊、不怕摔碰、重量輕、弱光性能好等優勢,未來應用前景廣闊。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池易形成良好的背電極和高質量的PN結,且較容易製成柔性組件。目前,CIGS薄膜太陽能電池的實驗室轉換效率已達21.7%,組件全面積轉換效率已接近16%,其產業化技術也在逐步完善。隨著此技術大規模生產後良品率提升,國產化改進優化後生產成本降低,將越來越具有競爭力。此外,具有超高轉換效率的砷化鎵太陽能電池,憑藉著其技術先進性,在特殊的應用場景具備很大的發展潛力,但是目前由於成本偏高,大規模的應用需要快速實現成本的降低。
據博思數據發布《2016-2021年中國薄膜太陽能電池行業深度調研與市場調查報告》表明:2009年,中國薄膜太陽能電池產量增長較快,主要是2008年投產企業較多,眾多薄膜太陽能電池企業生產步入正常軌道。2009年,中國薄膜太陽能電池產量達263MW;2010年,中國薄膜電池產量為380MW,同比增長44.5%;2011年,中國薄膜太陽能電池產量達565MW。2012年中國薄膜太陽能電池產量為400MW;2013年中國薄膜太陽能電池產量達到了260MW,2014年中國薄膜太陽能電池產量達到了300MW,2015年中國薄膜太陽能電池產量達到了458MW。
中國的薄膜生產商在很大程度上要依靠外國的供應商,這有可能導致一些主要的原材料供不應求,例如一些目標材料、導電玻璃和矽烷氣體。德國賀利氏(Heraeus)公司供應中國目標材料超過60%。在導電玻璃方面,日本的NSG集團和美國AFG工業公司佔據中國相當大的市場份額。
薄膜電池的廣泛應用也有市場障礙,當前多晶矽缺料的問題正在緩解,價格也大幅下降,這勢必衝擊各類薄膜電池在成本上的優勢。此外,資料顯示,薄膜太陽能電池的設備投資,幾乎是晶體矽電池設備投資額的10倍,籌資難度增高。中國國內薄膜電池產業起步更晚,受生產設備和技術瓶頸的制約,產業發展一直緩慢。
薄膜太陽能電池生產設備複雜昂貴,尤其是關鍵設備,更是高達上千萬美元,長期以來一直被歐洲、美國和日本的企業壟斷。目前,生產設備製造成本佔我國薄膜太陽能電池發電成本的七成左右,這導致電力上網價格比傳統電價高出一大截,其產業化瓶頸十分明顯。
薄膜電池中的CIGS電池較具發展潛力。薄膜塗層電池由於低成本特點,轉換效率不斷提升,未來市場份額勢必會明顯增長,薄膜電池行業增速將繼續高於晶矽電池行業增速。目前主要是材料成本較高,需要配置追日聚光系統,因此應用受限。
薄膜電池行業在最近幾年才成規模,不論技術水平、行業成熟度、供應鏈等均處於逐漸成熟的過程中。首先從供應鏈看,薄膜電池產業鏈也處於新建過程中,部分原材料;其次,其設備接近專業設備,價格高昂,設備商的利潤空間很高,因此生產和檢測設備需重點關注。
薄膜太陽能電池還需要進一步降低成本和提高效率。技術和設備成本是制約的關鍵。應當實現薄膜產業高端裝備國產化,擴大薄膜電池的產量,以規模化帶動成本降低。
根據國家統計局數據測算,到2020年,我國城鄉房屋建築面積約為890億平方米,以東、南、西牆牆面積的15%、屋頂面積的10%計,直接市場規模超過10萬億元,間接市場規模達30萬億元,相當於我國汽車市場的3-5倍。即使按照10%的轉化率和太陽能平均每年1300個發電小時計算,裝機規模相當於368個葛洲壩或45個三峽,可替代全社會30%左右的年用電需求。而對於薄膜發電技術來說,憑藉其獨特的優勢,在光伏建築一體化(BIPV)領域是極具市場競爭力的。
雖然薄膜電池尚未形成產業化,在轉化效率方面也低於晶矽電池(美國MiaSole15.5%、德國Manz14.6%),但CIGS薄膜電池轉化效率以1-1.5%/年提升。因此,五年後薄膜電池轉化效率有望超過晶矽電池,加之規模化的形成,屆時綜合成本將低於晶矽電池,將會成為市場的主流選擇。
從近幾年薄膜電池的發展勢頭來看,銅銦鎵硒是其中唯一增長的薄膜類電池。薄膜電池材料消耗少、製備能耗低、組件生產可在一個車間內完成,成本優勢明顯。如果薄膜電池組件效率與晶矽電池相差無幾,其性價比將是無可比擬的。在柔性襯底上製備的薄膜電池,具有可捲曲摺疊、不拍摔碰、重量輕、弱光性能好等優勢,將來的應用前景將會更加廣闊。加之光伏建築一體化等分布式光伏的應用,預計5-10年後,薄膜電池將佔據30%以上的市場份額。